半導(dǎo)體光電子器件-1 半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象

半導(dǎo)體光電子器件課程主要內(nèi)容第一章：半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象第二章：半導(dǎo)體光電子器件的物理基礎(chǔ)第三章：半導(dǎo)體太陽電池第四章：半導(dǎo)體光電探測器件第五章：半導(dǎo)體光電荷耦合器件第六章：半導(dǎo)體發(fā)光器件第一章：半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)

與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)§1.2半導(dǎo)體的光吸收機制§1.3半導(dǎo)體的光發(fā)射機制§1.4光子與電子相互作用的物理過程基本物理屬性基本特性§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)一、光子特性光在半導(dǎo)體中傳播服從Maxwell方程ε0、μ0真空介電常數(shù)與磁導(dǎo)率；εr媒質(zhì)相對介電常數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象光的傳播與振動示意圖自然光部分偏振光一、光子特性

光是一種電磁波，是橫波。光波振動方向和前進方向構(gòu)成的平面叫做振動面，光的振動面只限于某一固定方向的，叫做平面偏振光或線偏振光。

自然光是偏振面具有各種不同取向，且相位隨機分布的平面偏正光的集合。

介于偏振光與自然光之間的一種光稱為部分偏正光。在兩個互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種光稱為部分偏振光。自然光是部分偏正光的一種特殊形式?！?.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)二、光子的動量和能量光子的動量矢量可表示為光子能量可表示為光子的波長和能量的關(guān)系設(shè)沿z方向傳播的平面波電場在y方向偏振，由速度第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)三、傳播速度與折射率電場形式為則，傳播速度為折射率為其中，n為通常的折射率第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)三、傳播速度與折射率由以上各式可得

可見，光波以c/n的速度沿z方向傳播，其振幅按

衰減，光振幅衰減是由于介質(zhì)內(nèi)存在自由電荷，光波的部分能量激起傳導(dǎo)電流。K為表示光波能量衰減的參量，稱為消光系數(shù)（對于在x方向振動的磁場有相同的類似形式與結(jié)果）。K的產(chǎn)生機理是自由載流子吸收所引起。光波是橫波，其電場強度E和磁場強度H都和傳播方向垂直，對人眼和感光儀器起作用的是電場強度，光波中的振動矢量通常指的是電場強度E。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)四、光的折射與透射

光波（電磁波）由一種媒質(zhì)照射到與另一種媒質(zhì)的交界面時，必然發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，一部分光從界面反射，另一部分則透射入媒質(zhì)。從能量守恒觀點看，反射光波能量和透射光波能量之和等于入射光波能量。1.斯涅耳（snell）損耗

光子從一種介質(zhì)入射另一種介質(zhì)，因折射率不同而部分光子被反射回來，稱斯涅耳損耗。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.1光子特性及半導(dǎo)體的光學(xué)參數(shù)四、光的折射與透射2.菲涅耳（snell）損耗

當θ0=900時發(fā)生全反射，即菲涅耳現(xiàn)象。對應(yīng)的θs即為臨界角θC。

光子從折射率大的介質(zhì)向折射率小的介質(zhì)入射時，若入射角大于其臨界角θC

，則，入射光從界面全反射回原介質(zhì)，稱為菲涅耳損耗。反射系數(shù)透射系數(shù)臨界角

光的作用可以引起電子在不同的狀態(tài)之間躍遷。如果

，價帶電子吸收光子能量躍遷到導(dǎo)帶；如果

，雖然價帶電子不能躍遷到導(dǎo)帶，但是其仍能吸收光子能量從低能級躍遷至較高能級。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制一、光的吸收系數(shù)

光子作用于半導(dǎo)體上有多種作用機制，如本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收，激子吸收，晶格振動吸收，子帶吸收。光子在距表面1/α處，光強為原來的1/e，可認為光能量基本被吸收吸收系數(shù)α是光能量和禁帶寬度函數(shù)，若光子能量大于禁帶寬度，

吸收系數(shù)上升得快；若光子能量小于禁帶寬度，吸收系數(shù)就很小吸收系數(shù)對光子能量（波長、波數(shù)或頻率）的依賴關(guān)系稱為吸收光譜

機理：載流子吸收光能躍遷；晶格振動吸收光能。機制：本征吸收，雜質(zhì)吸收，自由載流子吸收，激子吸收，晶格振動吸收，子帶吸收。條件：能量守恒-

動量守恒-

特征：存在長波限。躍遷后波矢直接帶隙第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制半導(dǎo)體光吸收機理與機制

價帶電子吸收光子能量躍遷至導(dǎo)帶。

EcEV長波限：#高摻雜半導(dǎo)體：Eg能量-動量守恒直接帶隙間接帶隙第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制二、本征吸收直接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象

C與折射率、有效質(zhì)量、介電常數(shù)、光速等有關(guān)的量，近似為常數(shù)。吸收系數(shù)能量守恒動量守恒

即電子躍遷保持波矢不變-直接躍遷。§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制二、本征吸收-直接帶隙半導(dǎo)體存在：直接躍遷；間接躍遷。間接躍遷-光子、電子、聲子共同參與。

能量守恒：

動量守恒：直接躍遷間接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象能量守恒§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制二、本征吸收-間接帶隙半導(dǎo)體直接躍遷間接躍遷聲子分布函數(shù)第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象吸收系數(shù)：§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制二、本征吸收-間接帶隙半導(dǎo)體躍遷過程：施主能級電子—導(dǎo)帶；受主能級空穴—價帶電離受主能級電子—導(dǎo)帶；電離施主能級空穴—價帶能量關(guān)系：施主能級電子—導(dǎo)帶受主能級空穴—價帶電離受主能級電子—導(dǎo)帶電離施主能級空穴—價帶動量關(guān)系：束縛狀態(tài)無一定準動量，躍遷后狀態(tài)不受波矢限制；可越遷至任意能級，引起連續(xù)吸收光譜。

EcEv第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制三、雜質(zhì)吸收導(dǎo)帶及價帶內(nèi)電子從低能級躍遷到高能級。能量守恒：動量守恒：吸收或釋放聲子。特征：吸收系數(shù)隨波長增大而增強。

(躍遷能量間隔小，參與聲子少)自由載流子等吸收§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制四、自由載流子吸收第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象1.激子吸收激子：處于禁帶中的電子與價帶中的空穴在庫侖場作用下束縛在一起形成的電中性系統(tǒng)。激子可以在整個晶體中運動，不形成電流。激子吸收：價帶電子受激躍至禁帶，形成激子。激子吸收特征：2.晶格吸收

光子能量直接轉(zhuǎn)換成晶格振動動能。3.子帶吸收

量子阱、超晶格子帶間躍遷§1.2

半導(dǎo)體的光吸收機制五、其他吸收第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象1.本征躍遷導(dǎo)帶電子躍遷到價帶與空穴復(fù)合直接躍遷(直接復(fù)合)：能量守恒：波矢相等：輻射效率高。間接躍遷(間接復(fù)合)：能量守恒：波矢不等：輻射效率低。

處于激發(fā)態(tài)(高能態(tài))的電子躍遷至低能態(tài)，能量以光輻射(光子)形式釋放--光輻射。光輻射—光吸收逆過程。直接躍遷間接躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制一、本征躍遷與非本征躍遷第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制一、本征躍遷與非本征躍遷2.非本征躍遷

除了帶間躍遷以外，電子從高能級躍遷到低能級的過程，包括電子從導(dǎo)帶躍遷到雜質(zhì)能級、雜質(zhì)能級上的電子躍遷入價帶、電子在雜質(zhì)能級之間的躍遷都是非本征躍遷。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制二、輻射躍遷

如果電子從高能級躍遷到低能級，失去一部分能量，并在此過程中伴隨著光子的放出，這種躍遷稱為輻射躍遷。也稱為輻射復(fù)合。

輻射復(fù)合多發(fā)生在直接帶隙結(jié)構(gòu)。光子能量

輻射復(fù)合又分為帶間復(fù)合、邊緣發(fā)射、施主和受主的載流子復(fù)合、深能級復(fù)合和激子復(fù)合等方式第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制二、輻射躍遷1.帶間復(fù)合

帶間復(fù)合指電子直接從導(dǎo)帶躍遷到價帶，同那里的空穴相復(fù)合，同時發(fā)射光子，由于這種躍遷是在兩能帶之間進行的，所以起始點均有一定范圍，因而發(fā)光具有一定譜帶，如圖中a、b、c、h復(fù)合。

在直接帶隙復(fù)合過程中，由于導(dǎo)帶極小值與價帶極大值具有相同的電子波矢，故躍遷前后，電子波矢基本不變，又稱為一級過程或直接躍遷型。在間接帶隙復(fù)合過程中由于導(dǎo)帶最小值與價帶最大值的波矢k值不同，電子躍遷前后波矢發(fā)生較大變化，因此在躍遷過程中，除了產(chǎn)生光子以外，還伴隨著聲子躍遷過程，又稱為二級過程，或間接躍遷型。間接躍遷型放出光子的幾率較小，發(fā)光強度變?nèi)?。第一章半?dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制二、輻射躍遷2.邊緣發(fā)射

邊緣發(fā)射也是一種輻射復(fù)合過程，它是由淺施主所俘獲的電子同價帶空穴復(fù)合，或淺受主所俘獲的空穴同導(dǎo)帶電子復(fù)合的過程，如圖中d、e復(fù)合。3.深能級復(fù)合

深能級是指靠近導(dǎo)帶的空穴束縛態(tài)，或能量很接近價帶頂?shù)碾娮邮`態(tài)。在這種復(fù)合中，躍遷距離遠小于禁帶寬度，故輻射光子波長較長，如圖所示中j復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制二、輻射躍遷4.施主和受主的載流子復(fù)合

施主和受主雜質(zhì)提供載流子并產(chǎn)生復(fù)合，如圖中f復(fù)合。在這種載流子的復(fù)合過程中，躍遷距離小于禁帶寬度。5.激子復(fù)合

激子是晶體中電子和空穴束縛形成的中性粒子，當它釋放出所儲存的能量時，產(chǎn)生激子復(fù)合發(fā)光，因為激子能夠引起電子和空穴的復(fù)合發(fā)光，從而提高發(fā)光效率。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制二、輻射躍遷6.等電子中心復(fù)合

在元素半導(dǎo)體中，同價原子取代主原子，該原子被稱為等電子。由于兩種原子序數(shù)不同，內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)不同，電負性不同，原子序數(shù)小的，電子親和力大，易俘獲電子成為負電中心；原子序數(shù)大的，易俘獲空穴成為正電中心。該正負電子中心被稱為等電子中心。等電子中心再俘獲相反類型載流子形成束縛激子之后復(fù)合發(fā)光，稱等電子復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制二、輻射躍遷7.等分子中心復(fù)合

類似于等電子，在化合物半導(dǎo)體中，一種分子取代主分子被稱為等分子。若其電子親和力大，易俘獲電子成為負電中心；反之，易俘獲空穴成為正電中心。該正負電子中心被稱為等分子中心。等分子中心再俘獲相反類型載流子復(fù)合被稱等分子復(fù)合。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制三、非輻射躍遷1.多聲子躍遷

電子和空穴復(fù)合所放出的能量，可以使晶格振動，產(chǎn)生聲子，這一過程叫做聲子躍遷。如果禁帶中有許多雜質(zhì)能級，可以在電子躍遷時，依次激發(fā)出許多聲子，這一過程叫做多聲子躍遷。

聲子躍遷的結(jié)果，使電子放出的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝幽堋?/p>

在電子與空穴復(fù)合過程中，多余能量如果不以光子的形式放出，則稱為非輻射復(fù)合，又叫猝滅，多發(fā)生在間接帶隙結(jié)構(gòu)。如多聲子躍遷、俄歇復(fù)合、表面復(fù)合或激發(fā)聲子而變?yōu)闊崮埽鶎儆诜禽椛鋸?fù)合過程。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制三、非輻射躍遷2.俄歇復(fù)合

當晶體中的電子和空穴復(fù)合時，可能把多余的能量傳給第三個載流子。獲得能量的載流子又會產(chǎn)生多聲子過程。這種復(fù)合稱為俄歇復(fù)合。另外，還存在許多其它的非輻射復(fù)合過程。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.3

半導(dǎo)體的光發(fā)射機制四、發(fā)光效率

表征發(fā)光的參量為量子效率，即光輻射復(fù)合與總復(fù)合之比Rr是輻射復(fù)合率，R是過剩載流子的總復(fù)合率

按少子壽命τnr是輻射壽命，

τr是非輻射壽命帶與帶間的輻射復(fù)合率B是比例常數(shù)。直接系材料的值比間接帶隙材料的值大106個數(shù)量級；在間接帶隙材料中，直接帶間輻射復(fù)合躍遷是不大可能的。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程

半導(dǎo)中光子和電子相互作用的物理過程主要有三個：光的自發(fā)輻射、光的受激輻射和光的受激吸收1.光的自發(fā)輻射

對于具有上下兩個能級E2和E1，處于上能級E2的電子，無需借助外來光子的激發(fā)，有一定概率“自發(fā)的”躍遷的下能級E1，與空穴復(fù)合，同時放出光子，其能量為自發(fā)輻射的特點是產(chǎn)生的光為非相干光，是發(fā)光二極管的物理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程2.光的受激輻射

在能量為

的光子的作用下，電子由上能級E2

躍遷到下能級E1

，所發(fā)射的光子與入射光子具有相同的頻率、傳播方向、偏振和相位。受激輻射的特點：產(chǎn)生的光為相干光，即發(fā)射的光子與入射光子具有相同的頻率、傳播方向、偏振和相位，是激光器工作原理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程一、半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程3.光的受激吸收

在能量為

的光子的作用下，電子由下能級E1躍遷到上能級E2的過程。

若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，產(chǎn)生本征躍遷，每一個光子可激發(fā)出一個電子-空穴對；若光子能量小于禁帶寬度，但是大于施主和受主雜質(zhì)電離能量，產(chǎn)生非本征躍遷，每個光子只激發(fā)一個電子或者空穴。光的受激吸收是太陽電池、光電探測器工作原理基礎(chǔ)。第一章半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)與光電現(xiàn)象§1.4

半導(dǎo)體中光子與電子相互作用的物理過程二、愛因斯坦關(guān)系1.光的自發(fā)輻射